Beim Schmieden von flachen Aluminiumlangteilen können prozessbedingt Schmiedefehler wie bspw. Falten entstehen. Einen Sonderfall stellt dabei die Bildung von inneren Falten dar, welches sich im Faserverlauf ausprägt. Innere Falten haben u. a. einen negativen Effekt auf die dynamischen Bauteileigenschaften. Als Fertigungsverfahren kann Schmieden in eindirektionales und mehrdirektionales Schmieden unterteilt werden. Beim eindirektionalen Schmieden wurde die Entstehung von inneren Falten beobachtet. Durch die Verwendung des Umformens aus mehreren Richtungen – dem mehrdirektionalen Schmieden – kann die Umformung variabel eingestellt werden und dadurch eine Faltenbildung verhindert werden. Eine neu entwickelte Methode hilft bei der Auswahl des Umformverfahrens und bei der Bestimmung einer geeigneten Werkzeuggeometrie. Hier wird speziell der Bereich angepasst, in dem die inneren Falten entstehen. Dazu wurde ein Berechnungsmodell entwickelt, mit dem eine rechnergestützte Identifizierung der inneren Falten und eine Korrektur des verwendeten sowie parametrisch aufgebauten Schmiedewerkzeugs im relevanten Bereich möglich ist.
Mehrdirektionales Schmieden, flache Langteile, Aluminium, Faserverlauf
Aufgrund der thermischen und mechanischen Belastungen infolge der hohen Rohteiltemperaturen von bis zu 1280 °C, der großen Gesenk-Innendrücke und des ausgeprägten Werkstoffflusses entlang der Gesenkoberflächen ist der Werkzeugverschleiß beim Gesenkschmieden besonders hoch. Ein fortgeschrittener Werkzeugverschleiß führt zu Instandhaltungsaufwänden, Produktionsstillstandzeiten, und im schlimmsten Fall zum Werkzeugbruch und ist daher ein Hauptkostenfaktor beim Gesenkschmieden.
Am Institut für Integrierte Produktion Hannover wurde der Zusammenhang zwischen dem Verschleiß von Schmiedewerkzeugen von der gewählten Losgröße nachgewiesen. Auf Basis der Ergebnisse können künftig lnstandhaltungsabläufe optimiert und Kosten reduziert werden.
Schmieden, Stahl, Verschleiß, Losgröße
Ein geringer Energieverbrauch und eine geringe Fertigungszeit werden in jedem industriellen Prozess der Kurbelwellenherstellung gefordert. Kurbelwellen besitzen eine sehr komplexe Geometrie und werden daher, verglichen mit anderen Schmiedebauteilen, mit einem hohen Gratanteil geschmiedet. Aktuelle Forschungsergebnisse zeigten die Machbarkeit des gratlosen Präzisionsschmiedens von Kurbelwellen. Eine Möglichkeit, eine Kurbelwelle herzustellen ist die Verwendung der drei Fertigungsschritte Querkeilwalzen, mehrdirektionales Schmieden und Fertigschmieden.
Dieses Paper präsentiert die Untersuchungsergebnisse des Einflusses der Querschnittsflächenreduzierung beim Querkeilwalzen auf verschiedenen Parametern des mehrdirektionalen Schmiedens. Zuerst ist der aktuelle Stand der Forschung, die Entwicklung des Prozesses und die Werkzeugkonzepte des Querkeilwalzens sowie des mehrdirektionalen Schmiedens dargestellt. Danach sind die Ergebnisse des Einflusses der Querschnittsflächenreduzierung auf die Gratbildung, Bauteiltemperaturen, Umformgrad, Umformkraft und Spannung gezeigt. Grundsätzlich entsteht Grat, weil eine rotationsymmetrische Vorform asymmetrisch umgeformt wird. Eine steigende Querschnittsflächenreduzierung führt dabei zu einem geringeren Grat unten an den Kurbelwangen.
mehrdirektionales Schmieden, Querkeilwalzen, Kurbelwelle, Querschnittsflächenreduzierung
Die meisten heutigen technischen Bauteile und Komponenten bestehen aus monolithischen Materialien. Diese in etablierten Herstellungsprozessen hergestellten Monomaterialkomponenten erreichen aufgrund ihrer jeweiligen Materialeigenschaften ihre Grenzen. Daher kann eine signifikante Steigerung der Produktionsqualität und Effektivität nur durch die Kombination verschiedener Materialien in einem Bauteil erreicht werden. Die Umformung von zuvor gefügten Halbzeugen zu entkonturnahen Bauteilen, die aus zwei verschiedenen Materialien bestehen, ist eine vielversprechende Methode zur Produktion von Bauteilen mit lokal optimierten Eigenschaften. Diese neue Prozesskette bietet gegenüber herkömmlichen Fertigungstechnologien eine Reihe von Vorteilen. Beispiele sind die Herstellung von besonders angepassten Schmiedeteilen mit hoher Materialausnutzung, eine Verbesserung der Fügezone durch den folgenden Umformprozess und ein einfach zu integrierendes Fügeverfahren aufgrund der einfachen Geometrie der Halbzeuge.
Diese Veröffentlichung beschreibt den Herstellungsprozess von hybriden Stahlbauteilen, die durch die Kombination eines Plasma-Pulver-Auftraggeschweißen mit anschließendem Querkeilwalzen hergestellt wurden. Diese innovative Prozesskette ermöglicht die Produktion von hybriden Bauteilen. Um die Prozesskette zu bewerten, wird die Schichtdicke der aufgetragenen Schicht vor und nach dem Querkeilwalzen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass der Umformprozess zu einer Verbesserung der aufgetragenen Schicht, also einer homogeneren Verteilung entlang der Hauptachse, führt.
Prozesskette, Plasma-Pulver-Auftragschweißen, Hybride Bauteile, Querkeilwalzen
Das Querkeilwalzen hybrider Bauteile ergibt je nach Anordnung (seriell oder koaxial) unterschiedliche Herausforderungen, die zunächst grundlegend untersucht werden.
Beim Querkeilwalzen von seriellen Bauteilen ist die kontrollierte Umformung der Fügezone die größte Herausforderung. Abhängig von der Fließspannung der verwendeten Werkstoffe verformen sich die Bauteilhälften unterschiedlich. Um diese Umformung kontrolliert ablaufen zu lassen, wurde zunächst das Umformverhalten hinsichtlich der Verschiebung und Qualität der Fügezone analysiert und anschließend Möglichkeiten ermittelt, mit denen die Umformung gezielt erfolgen kann. Dazu wurden systematisch nach dem DoE-Verfahren die Einflussparameter (Werkstücktemperatur, Umformgeschwindigkeit, Querschnittsflächenreduktion, Schulter- und Keilwinkel) zunächst mittels Finite-Element-Methode ermittelt und anschließend die Untersuchungen experimentell verifiziert. Eine Einflussnahme auf die Umformung anhand sowohl konstruktiver Maßnahmen (z. B. ungleiche Werkzeughälften) als auch durch prozessbedingte Parameter (z. B. unterschiedliche Temperierung) wird untersucht.
Das Querkeilwalzen von koaxialen Bauteilen hat aufgrund des Bauteilaufbaus andere Herausforderungen. Ziel ist es, bei der Umformung den Verlauf der Dicke der aufgetragenen Schicht gezielt beeinflussen zu können. Dazu wurden zu Beginn Finite-Elemente-Simulationen durchgeführt, um beeinflussende Parameter zu ermitteln. Durch eine systematische Untersuchung der Versuchsparameter nach dem DoE-Verfahren ergaben die Schichtdicke vor der Umformung sowie die Querschnittsflächenreduktion als Parameter mit den größten Einflüssen auf die den Verlauf der Schichtdicke nach der Umformung. Die erzielten Ergebnisse wurden in experimentellen Versuchen anschließend verifiziert.
Querkeilwalzen, Stahl, Aluminium, Fügezone, Schichtdicke
In den vergangenen Jahren sind die Anforderungen an technische Bauteile stetig gestiegen. Diese Entwicklung ist dem Wunsch nach immer leistungsfähigeren Produkten geschuldet, die neben einem geringeren Gewicht, einer kleineren Bauweise und erweiterter Funktionalität zudem eine höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber bestimmten Beanspruchungsarten aufweisen.
Das übergeordnete Ziel des Sonderforschungsbereichs 1153 "Tailored Forming" ist es, die Potentiale für hybride Massivbauteile auf der Basis eines neuen zugeschnittenen Fertigungsprozesses unter Verwendung von gefügten Halbzeugen zu erschließen.
In diesem Beitrag werden die Vorgehensweise und erste Ergebnisse ausgewählter Teilprojekte zur Halbzeugherstellung durch Verbundstrangpressen, zur Umformung der hybriden Halbzeuge durch Querkeilwalzen, Gesenkschmieden und Fließpressen und zur numerischen Versagensvorhersage der Fügezonen dargestellt. Hierdurch wird ein Überblick über mögliche Leichtbaustrategien im Bereich der Massivumformung durch die Verwendung bereits gefügter Halbzeuge gegeben.
Tailored Forming, Halbzeugherstellung, Umformung, Querkeilwalzen
Die Volatilität des Strompreises nimmt durch den steigenden Ausbau erneuerbarer Energien insbesondere an der Strombörse stetig zu. Kleine und mittlere Unternehmen (KMU) des produzierenden Gewerbes können sich diese Schwankungen durch gezielte Lastführung zu Nutze machen und Energiekosten sparen. Zur Hebung dieses Potenzials müssen KMU Messzähler zur registrierten Leistungsmessung nutzen und Strom zu möglichst börsennahen Preisen beziehen.
Strombezug, Spotmarkt Strombörse, Lastmanagement, Energiekosten
Die Prognose von Absatzmengen stellt eine Herausforderung für die Produktionsplanung dar. Vor allem schwer prognostizierbare Absatzschwankungen, wie sie beispielsweise durch Werbeaktionen hervorgerufen werden, sind dabei hinderlich. Oft sind Zusatzinformationen aus makroökonomischen Indizes nicht aktuell genug, der Detaillierungsgrad zu prognostizierender Produkte zu gering und der Prognoseaufwand zu hoch. Ziel eines neuen Forschungsprojektes ist daher die Entwicklung eines auf Suchmaschinendaten basierenden Modells zur Prognose von Absatzmengen auf spezifizierter Produktebene. Durch den ergänzenden Einsatz von Suchmaschinendaten zur Absatzprognose wird erwartet, dass der Prognosefehler gegenüber konventionellen Prognosemodellen auf Produktebene gesenkt werden kann. Insgesamt soll geklärt werden, ob und in welchem Maße sich die logistische Leistungsfähigkeit eines Unternehmens durch die suchmaschinendatenbasierte Prognose von Absatzmengen in der Produktionsplanung verbessern lässt.
Produktionsplanung, Absatzprognose, Suchmaschinendaten, Prognosemodell
Zum Hinterschnittschmieden von Stahlkolben soll ein mehrdirektionales Schmiedewerkzeug entwickelt werden. Dazu wurde zunächst der Schmiedeprozess simulativ ausgelegt und solange angepasst, bis eine geeignete Stadienfolge gefunden wurde.
FEM, Schmieden, Hinterschnitt, Hinterschnittschmieden, mehrdirektional
In diesem Artikel wird die Erforschung der Grundlagen des neuen Fertigungsverfahrens Hybridschmieden beschrieben, das Blech- und Massiv-Elemente gleichzeitig umformt und fügt. Mittels eines Demonstratorbauteils wird simulativ die Möglichkeit untersucht, mehrere unterschiedliche Fügeverbindungen an einem Bauteil herzustellen. Die Ergebnisse zeigen günstige Parametervariationen, welche in experimentellen Untersuchungen getestet werden sollen.
FEM, Hybridschmieden, Massivumformung, Blechumformung
Ein geringer Energieverbrauch und eine geringe Fertigungszeit werden in jedem industriellen Prozess der Kurbelwellenherstellung gefordert. Kurbelwellen besitzen eine sehr komplexe Geometrie und werden daher, verglichen mit anderen Schmiedebauteilen, mit einem hohen Gratanteil geschmiedet. Aktuelle Forschungsergebnisse zeigten die Machbarkeit des gratlosen Präzisionsschmiedens von Kurbelwellen. Eine Möglichkeit, eine Kurbelwelle herzustellen ist die Verwendung der drei Fertigungsschritte Querkeilwalzen, mehrdirektionales Schmieden und Fertigschmieden.
Dieses Paper präsentiert die Untersuchungsergebnisse des Einflusses des Schulterwinkels beim Querkeilwalzen auf verschiedenen Parameter des mehrdirektionalen Schmiedens. Zuerst ist der aktuelle Stand der Forschung, die Entwicklung des Prozesses und die Werkzeugkonzepte des Querkeilwalzens und des mehrdirektionalen Schmiedens dargestellt. Danach sind die Ergebnisse des Einflusses des Schulterwinkels auf die Gratbildung, Bauteiltemperaturen, Umformgrad, Umformkraft und Spannung gezeigt. Grundsätzlich entsteht Grat, weil eine rotationsymmetrische Vorform asymmetrisch umgeformt wird. Ein steigender Schulterwinkel führt dabei zu einem größeren Grat unten an den Kurbelwangen.
mehrdirektionales Schmieden, Querkeilwalzen, Kurbelwelle, Parameterstudie, Schulterwinkel
Um die Produktionskosten von Schmiedeteilen zu reduzieren, sind unterschiedliche Ansätze möglich. Speziell für wertvolle Materialien wie Titan stellen die Materialkosten einen Großteil der Produktionskosten dar. Daher kann die Verringerung des Ausgangsmaterials die Gesamtkosten signifikant verringern. Um das Verbesserungspotenzial zu identifizieren, wurde eine bestehende Schmiedeprozesskette untersucht.
Für ein Hüft-Implantat aus Titan wurde eine neue Schmiedeprozesskette entwickelt. Um das anfänglich benötigte Material zu reduzieren, wurde das Querkeilwalzen als Vorformvefahren und das Gesenkschmieden mit Gratsperren untersucht. Der Einfluss der verschiedenen Prozessschritte auf das Endergebnis wurde analysiert und detailliert dargestellt. Um die Vorhersagegenauigkeit des neu entwickelten gratreduzierten Schmiedeprozesses zu erhöhen und Iterationsschleifen von Gesenkauslegungen zu verringern, wurden passende Simulationsparameter unter Berücksichtigung der Randbedingungen der Schmiedeumgebung untersucht. Dies geschieht mittels Finite-Elemente-Analyse (FEA) unter Berücksichtigung von Formfüllung, Prozessstabilität und Pressenkräfte. Beim Einsatz von Querkeilwalzen und Gesenkschmieden mit Gratsperre reduziert der neu entwickelte Schmiedprozess den Gratanteil deutlich von 69% auf 32%.
Querkeilwalzen, Schmieden, Gratreduziert, FEM Simulationen, Gratsperren
In diesem Paper wird die Bildverarbeitung einer binären Einspurcodierung für die Bestimmung des Drehmoments präsentiert. Das Ziel der wissenschaftlichen Untersuchung ist die Bestimmung des absoluten Drehwinkels eines Zylinders und dem anliegenden Drehmoment. Für die Bildaufnahme werden zwei unabhängige Module genutzt, welche jeweils erlauben, die absolute Drehposition und Drehzahl zu erfassen. Bei gleichzeitiger Nutzung beider, kann das Drehmoment bestimmt werden. Markierungen werden mit einem Laserverfahren aufgebracht, um auch eine spätere Umsetzung zu ermöglichen. Der gewählte technologische Ansatz ist das sog. Winkeldifferenzverfahren. Das Konzept der Bildverarbeitung als auch erste Ergebnisse zur Drehmomentmessung aus der zweifachen absoluten Winkelpositionserfassung werden präsentiert.
Bildverarbeitung, Einspurcodierung, Drehmoment
In mehrstufigen Schmiedeprozessen wird das Schmiedeergebnis hauptsächlich von der Geometrie der Vorform bestimmt. Das Auslegen von mehrstufigen Schmiedeprozessen ist dennoch immer noch ein zeitaufwendiger Trial- and Error Prozess. Die Qualität der entwickelten Schmiedeprozesse hängt weiterhin stark vom Erfahrungswissen des zuständigen Konstrukteurs ab. Dieses Paper präsentiert einen Algorithmus, um das multikriterielle Optimierungsproblem der Vorformoptimierung zu lösen. Dazu werden querkeilgewalzte Vorformen untersucht und ein evolutionärer Algorithmus eingesetzt, um die Vorformen so zu verbessern, bis die gewünschten Qualitätskriterien in der Fertigschmiedestufe erreicht werden. Dabei werden die Massenverteilung des Fertigteils, das Vorformvolumen und die Bauteilkomplexität als Bewertungsparameter eingeführt. Es wird eine Formel zur Berechnung des minimal erforderlichen Gratanteils abgeleitet und anhand verschiedener Demonstratorbauteile auf ihre Eignung überprüft.
Vorformoptimierung, Schmieden, Evolutionäre Algorithmen, Querkeilwalzen
Um es zukünftig kleinen und mittleren Unternehmen zu ermöglichen, Querkeilwalzen einzusetzen, wurden bisher bestehende Hindernisse aus dem Weg geräumt. Dazu wurde eine Methode entwickelt, wie Querkeilwalzwerkzeuge softwaregestützt konstruiert werden können. Für die beiden Demonstratorbauteile Hüftimplantat und Common-Rail wurden Querkeilwalzprozesse simulationsgestützt ausgelegt. Mit den Querkeilwalz-Vorformen konnten gratreduzierte Stadienfolgen für die beiden Demonstratorbauteile ausgelegt werden. Um die Teile industriell kostengünstig walzen zu können, wurde eine Querkeilwalzmaschine konzipiert, gefertigt und beim Schmiedeunternehmen aufgebaut. So konnte die komplette Stadienfolge des Hüftimplantats erfolgreich getestet werden.
Querkeilwalzen, Umformmaschine, Ressourceneffizienz, Hüftimplantat, Common-Rail
In mehrstufigen Schmiedeprozessen wird das Schmiedeergebnis hauptsächlich von der Geometrie der Vorform bestimmt. Das Auslegen von mehrstufigen Schmiedeprozessen ist dennoch immer noch ein zeitaufwendiger Trial- and Error Prozess. Die Qualität der entwickelten Schmiedeprozesse hängt weiterhin stark vom Erfahrungswissen des zuständigen Konstrukteurs ab. Dieses Paper präsentiert einen Algorithmus, um das multikriterielle Optimierungsproblem der Vorformoptimierung zu lösen. Dazu werden querkeilgewalzte Vorformen untersucht und ein evolutionärer Algorithmus eingesetzt, um die Vorformen so zu verbessern, bis die gewünschten Qualitätskriterien in der Fertigschmiedestufe erreicht werden. Dabei werden die Massenverteilung des Fertigteils, das Vorformvolumen und die Bauteilkomplexität als Bewertungsparameter eingeführt. Der entwickelte Algorithmus wird anhand eines Pleuels validiert und die fortlaufende Optimierung überprüft.
Vorformoptimierung, Schmieden, Evolutionäre Algorithmen, Querkeilwalzen
Gratreduziertes Schmieden ist eine vielversprechende Alternative für komplizierte Hochleistungsschmiedeteile. Mittels einer neuartigen Prozesskette wurde die Möglichkeit geschaffen, den Gratanteil solcher komplizierter Schmiedeteile signifikant zu senken. So kann die Wettbewerbsfähigkeit von Schmiedeunternehmen gesteigert und deren Produktionskosten gesenkt werden. Die Europäische Union fördert ein Forschungsprojekt, in dem die Verbesserung von Kurbelwellen-Stadienfolgen durch gratreduziertes Schmieden erreicht werden soll. Um die Vorhersage von Schmiedeparametern in Simulationen zukünftiger Prozessauslegungen zu verbessern, wird eine bestehende Stadienfolge simuliert und mit dem industriellen Schmiedeprozess verglichen. Zusätzlich wurde eine Variation der Simulationsparameter verwendet, um deren Einfluss auf die Ergebnisse des Schmiedeprozesses zu ermitteln.
Schmieden, Kurbelwelle, Gratreduzierung, Untersuchung von Simulationsparametern
Um die Formfüllung in Schmiedeprozessen sicher zu prognostizieren, werden unterschiedliche künstliche neuronale Netze auf ihre Eignung überprüft. Als Eingangsparameter werden mehrere Querschnittsflächeneigenschaften getestet, um das Ergebnis der Formfüllung von FEM-Simulationen zu prognostizieren. Der Einfluss der Querschnittseigenschaften auf die Formfüllungsprognose wird dargestellt und die beste Methode ausgewählt.
FEM, Schmieden, Vorformoptimierung
Mittels FEM wurde ein numerisches Modell entwickelt, um die Entstehung von Flittergrat beim Aluminiumschmieden zu untersuchen. Die Signifikanz und die Effekte der Eingangsparameter Werkstücktemperatur, Umformgeschwindigkeit und Gratspaltbreite auf die Entstehung des Flittergrates wurden durch statistische Analyse der Simulationsergebnisse ermittelt. Experimentelle Versuche wurden durchgeführt, um das numerische Modell zu verifizieren.
FEM, Aluminium, Schmieden, Gratlosschmieden, Flittergrat
Das verbreitetste Verfahren in der Massivumformung ist das Gesenkschmieden mit Grat. Dabei wird mithilfe eines Materialüberschusses sichergestellt, dass die Form vollständig gefüllt wird. Das überschüssige Material entweicht über die Gratbahn, die somit großen Einfluss auf die Formfüllung hat. Üblicherweise werden Form und Abmessungen der Gratbahn während der Gesenkherstellung festgelegt und können während des Schmiedeprozesses nicht mehr verändert werden. Durch den Einsatz einer variablen Gratbahn, die während des Schmiedeprozesses aktiv gesteuert werden kann, ist es möglich, den Materialfluss zu verändert und die Formfüllung zu verbessern. In diesem Beitrag wird eine variable Gratbahn für den Einsatz in der Warmmassivumformung beschrieben und der Einfluss eines solchen Systems auf die Formfüllung ermittelt. Als Vergleichsgegenstand wird ein konventioneller Schmiedeprozess mit einer festen Gratbahn herangezogen. Des Weiteren werden die Ergebnisse experimenteller Versuche mit den Ergebnissen der korrespondierenden FEM-Simulationen verglichen. Zudem wird untersucht, welchen Einfluss die Ausgangstemperatur des Rohlings hat. Die experimentellen Schmiedeversuche haben gezeigt, dass die variable Gratbahn den Materialfluss erheblich beeinflusst – umso mehr, je höher der Gratanteil ist. Die variable Gratbahn ist als 2 mm hohe Sperre konstruiert. Ihr Einsatz führt zu Steighöhenunterschieden von bis zu 4,5 mm – das entspricht 16,6 % der Bauteilhöhe im Vergleich zu konventionell geschmiedeten Bauteilen. Wird die Schmiedetemperatur von 1200 °C auf 1000 °C reduziert, sinkt der Einfluss der variablen Gratbahn: Die durchschnittlichen Steighöhenunterschiede liegen dabei rund 0,5 mm (etwa 3 %) niedriger.
Schmieden, Werkzeugkonstruktion, Stofffluss, FEM, Gratbahn
Gratreduziertes Schmieden ist eine vielversprechende Alternative für das Schmieden von komplizierten Hochleistungsbauteilen. Die Anwendung von gratlosen Vorformenoperationen ist ein möglicher Ansatz, eine Gratreduktion zu erreichen. Die Vermeidung von Grat beim Vorformen durch komplett umschlossene Gesenke ist die Hauptherausforderung beim Gratlosschmieden, vor allem, wenn die Trennfuge der Gesenke in der Mitte der Schmiedeteile liegt. Um ein gratloses Vorformen zu ermöglichen, wurde ein Schließmechanismus entwickelt, der ohne Federn funktioniert.
Schmieden, Schließ-Mechanismus, gratloses Schmieden, Schmiedeprozess, Vorformen
